大学化学(董彦杰)

为了贯彻全国教育大会和新时代全国高等学校本科教育工作会议精神，我们组织教师编写了本教材。本书是高等学校“十四五”规划教材：内容包括无机化学部分、有机化学部分、分析化学部分和物理化学部分等内容，读者对象为非化学专业的本科生。
根据“专业本科教学质量国家标准”“专业认证”、生命科学学院和资源环境学院的教学要求，体现我校办学定位和办学理念，坚持“宽口径，厚基础、重实践”的方针，我们组织修订了“大学化学”，以适应高等学校加强内涵发展的新要求。
本教材的主要内容如下：无机化学部分主要包括气体、酸碱解离平衡、沉淀溶解平衡、氧化还原反应、配位化合物、原子结构、分子结构等。分析化学部分主要包括定量分析化学概论、定量分析误差和分析数据的处理、重量分析法、滴定分析法、吸光光度法等。物理化学部分主要包括化学热力学基础、化学动力学基础、电化学基础、表面化学基础等。有机化学部分主要包括绪论、烷烃、脂环烃、烯烃、炔烃和二烯烃、芳烃、立体化学、卤代烃、醇酚醚、醛和酮、羧酸及羧酸衍生物等。
本教材主编为董彦杰、王钧伟，副主编为孙佳音、庞韬、王春花。无机化学部分由孙佳音负责；有机化学部分由庞韬负责；分析化学部分和附录由董彦杰负责；物理化学部分由王春花负责；郭畅老师参与了物理化学部分的审阅工作。本书由董彦杰、王钧伟统编。
本次编写参阅了兄弟院校已出版的相关材料及相关著作，从中借鉴和吸取了有益的内容，化学工业出版社的编辑为本教材的出版付出了辛勤的劳动，在此一并致以诚挚的感谢。
由于编者水平有限，教材中难免存在疏漏和不足之处，恳请广大读者批评指正。

董彦杰
2020年12月于安庆

董彦杰，安庆师范大学化学化工学院，教授，从事分析化学教学和研究近40年，主编出版了“分析化学”、“分析化学解题技巧”、“化学基础实验”等教材，发表教学、科研论文近200篇，其中SCI论文近40篇，获国家专利2项。主持参加国家自然科学基金项目8项，省级科研15项。

《大学化学》由四部分组成,即无机化学篇、分析化学篇、物理化学篇和有机化学篇,各部分单独成篇,其中,无机化学部分包括气体、酸碱解离平衡、沉淀溶解平衡、氧化还原反应、配位化合物、原子结构、分子结构;分析化学部分包括定量分析化学概论、定量分析误差和分析数据的处理、重量分析法、滴定分析法、吸光光度法;物理化学部分包括化学热力学基础、化学动力学基础、电化学基础和表面化学基础;有机化学部分包括绪论、烷烃、脂环烃、烯烃、炔烃和二烯烃、芳烃、立体化学、卤代烃、醇酚醚、醛和酮、羧酸及羧酸衍生物。在编写过程中,编者力求遵循学术规范原则,完整地正确表达化学的基本原理。为方便学生学习与检查学习效果,每章后均附有习题。
本书适合生命科学、生物工程、食品工程、环境监测、环境科学、环境工程等专业本科生使用,也可供相关人员研究参考之用。

第一篇 无机化学
第1章　气体/2
1.1 理想气体状态方程 2
1.2 道尔顿分压定律 3
习题 5

第2章　酸碱解离平衡/7
2.1 酸碱理论 7
2.1.1 酸碱质子论 8
2.1.2 酸碱电子论 10
2.1.3 硬软酸碱(HSAB)规则 11
2.2 弱酸、弱碱的解离平衡 12
2.2.1 一元弱酸、弱碱的解离平衡 12
2.2.2 多元弱酸、弱碱的解离平衡 14
2.2.3 两性物质的解离平衡 15
2.2.4 同离子效应和盐效应 16
2.3 强电解质溶液 17
2.3.1 离子氛概念 17
2.3.2 活度和活度系数 18
2.4 缓冲溶液 19
2.4.1 缓冲作用原理和计算公式 19
2.4.2 缓冲容量和缓冲范围 21
习题 23

第3章　沉淀溶解平衡/25
3.1 溶度积和溶度积规则 25
3.1.1 溶度积 25
3.1.2 溶度积规则 27
3.2 沉淀的生成和溶解 27
3.2.1 沉淀的生成 27
3.2.2 沉淀的溶解 28
3.3 分步沉淀和沉淀的转化 30
习题 31

第4章　氧化还原反应/33
4.1 氧化还原反应的基本概念 33
4.1.1 氧化和还原 33
4.1.2 氧化数 34
4.2 氧化还原方程式配平 35
4.2.1 氧化数法 35
4.2.2 离子电子法 36
4.3 电极电势 37
4.3.1 原电池 37
4.3.2 电极电势 38
4.3.3 能斯特方程 41
4.3.4 原电池的电动势与ΔrG 的关系 42
4.4 电极电势的应用 43
4.4.1 计算原电池的电动势 43
4.4.2 判断氧化还原反应进行的方向 44
4.4.3 选择氧化剂和还原剂 46
4.4.4 判断氧化还原反应进行的次序 47
4.4.5 判断氧化还原反应进行的程度 47
4.4.6 测定某些化学常数 48
4.5 元素电势图及其应用 48
习题 51

第5章　配位化合物/53
5.1 配位化合物的组成和定义 53
5.2 配位化合物的类型和命名 55
5.2.1 配合物的类型 55
5.2.2 配合物的命名 56
5.3 配位化合物的异构现象 57
5.3.1 立体异构现象 57
5.3.2 结构异构现象 59
5.4 配位化合物的化学键本性 59
5.4.1 价键理论 60
5.4.2 晶体场理论 62
5.5 配位解离平衡 67
5.5.1 配位解离平衡和平衡常数 67
5.5.2 配位解离平衡的移动 68
5.6 配体对中心原子的影响和配体反应性 71
5.7 配合物在生物、医药等方面的应用 71
习题 72

第6章　原子结构/74
6.1 微观粒子的波粒二象性 74
6.1.1 氢光谱和玻尔理论 74
6.1.2 微观粒子的波粒二象性 76
6.1.3 不确定原理 76
6.2 氢原子核外电子的运动状态 77
6.2.1 波函数和薛定谔方程 77
6.2.2 波函数和电子云图形 79
6.2.3 四个量子数 82
6.3 多电子原子核外电子的运动状态 83
6.3.1 屏蔽效应和钻穿效应 83
6.3.2 原子核外电子排布 84
6.4 原子结构和元素周期律 89
6.4.1 核外电子排布和周期表的关系 89
6.4.2 原子结构与元素基本性质 90
习题 92

第7章　分子结构/95
7.1 离子键 95
7.1.1 离子键理论的基本要点 95
7.1.2 决定离子化合物性质的因素——离子的特征 96
7.1.3 晶格能 97
7.2 共价键 98
7.2.1 价键理论 98
7.2.2 共价键的特性 99
7.3 杂化轨道理论 100
7.3.1 杂化轨道理论的基本要点 100
7.3.2 杂化轨道的类型 100
7.4 价层电子对互斥理论 102
7.5 分子轨道理论简介 104
7.5.1 分子轨道理论的基本要点 104
7.5.2 能级图 105
7.5.3 应用举例 106
7.6 金属键 107
7.6.1 金属晶格 107
7.6.2 金属键 107
7.7 分子的极性和分子间力 108
7.7.1 分子的极性 108
7.7.2 分子间力 108
7.8 离子极化 110
7.9 氢键 111
7.10 晶体的内部结构 111
习题 112

第二篇 分析化学
第8章　定量分析化学概论/116
8.1 分析化学的任务和作用 116
8.1.1 分析化学的任务 116
8.1.2 分析化学的作用 116
8.2 定量分析方法的分类 117
8.3 分析化学的发展趋势 117

第9章　定量分析误差和分析数据的处理/119
9.1 误差的基本概念 119
9.1.1 准确度与误差 119
9.1.2 精密度与偏差 120
9.1.3 系统误差和偶然误差 122
9.2 偶然误差的正态分布 123
9.2.1 正态分布的数学表达式 123
9.2.2 正态分布曲线的讨论 123
9.2.3 标准正态分布 123
9.2.4 偶然误差的区间概率 124
9.3 有限测定数据的统计处理 126
9.3.1 t分布曲线 126
9.3.2 平均值的置信区间 127
9.3.3 显著性检验 128
9.3.4 可疑测定值的取舍 128
9.4 提高分析结果准确度的方法 129
9.4.1 选择适当的分析方法 129
9.4.2 减小测量的相对误差 129
9.5 有效数字及其运算规则 130
9.5.1 有效数字 130
9.5.2 数字修约规则 131
9.5.3 有效数字的运算规则 131
习题 132

第10章　重量分析法/133
10.1 重量分析法概述 133
10.1.1 对沉淀形式的要求 134
10.1.2 对称量形式的要求 134
10.2 沉淀的溶解度及其影响因素 134
10.2.1 沉淀的溶解度 135
10.2.2 影响沉淀溶解度的因素 136
10.3 沉淀的类型与沉淀的形成机理 137
10.3.1 沉淀的类型 137
10.3.2 沉淀的形成过程 137
10.3.3 沉淀条件对沉淀类型的影响 138
10.4 影响沉淀的纯度的因素 138
10.4.1 共沉淀现象 138
10.4.2 后沉淀现象 139
10.4.3 提高沉淀纯度的措施 139
10.5 沉淀条件的选择 140
10.5.1 晶形沉淀的沉淀条件 140
10.5.2 无定形沉淀的沉淀条件 141
10.5.3 均匀沉淀法 141
10.6 有机沉淀剂 141
10.6.1 生成螯合物的沉淀剂 141
10.6.2 生成缔合物沉淀剂 142
10.7 重量分析结果的计算 142
习题 142

第11章　滴定分析法/144
11.1 酸碱滴定法 145
11.1.1 酸碱质子理论 145
11.1.2 水溶液中弱酸(碱)各型体分布 147
11.1.3 酸碱溶液中氢离子浓度的计算 150
11.1.4 酸碱缓冲溶液 155
11.1.5 酸碱指示剂 157
11.1.6 强酸(碱)和一元弱酸(碱)的滴定 160
11.1.7 多元酸(碱)的滴定 165
11.1.8 酸碱滴定法的应用 167
11.2 络合滴定法 171
11.2.1 概述 171
11.2.2 溶液中各级络合物型体的分布 173
11.2.3 络合滴定中的副反应和条件形成常数 176
11.2.4 EDTA滴定曲线及其影响因素 179
11.2.5 络合滴定指示剂 181
11.2.6 提高络合滴定选择性的方法 186
11.2.7 络合滴定的方式和应用 188
11.3 氧化还原滴定法 189
11.3.1 氧化还原平衡 189
11.3.2 氧化还原反应的速率 192
11.3.3 氧化还原滴定曲线 193
11.3.4 氧化还原法滴定前的预处理 196
11.3.5 常用的氧化还原滴定方法 197
11.3.6 氧化还原滴定结果的计算 201
11.4 沉淀滴定法 202
11.4.1 概述 202
11.4.2 确定终点的方法 202
11.4.3 沉淀滴定法应用示例 205
习题 205

第12章　吸光光度法/208
12.1 吸光光度法基本原理 208
12.1.1 物质对光的选择性吸收 208
12.1.2 朗伯-比耳定律 210
12.2 吸光光度法的仪器 211
12.2.1 基本部件 211
12.2.2 分光光度计的类型 212
12.3 显色反应及其影响因素 212
12.3.1 显色反应和类型及要求 212
12.3.2 影响显色反应的因素 213
12.4 吸光度的测量及误差控制 215
12.4.1 测量波长和参比溶液的选择 215
12.4.2 朗伯-比耳定律的偏离 215
12.4.3 吸光度测量的误差 216
12.5 吸光光度分析方法 217
12.6 吸光光度的应用 218
12.6.1 定量分析 218
12.6.2 物理化学常数的测定 219
习题 220

第三篇 物理化学
第13章　化学热力学基础/224
13.1 化学热力学研究内容及其特点 224
13.2 化学热力学基本概念 224
13.2.1 系统和环境 224
13.2.2 敞开系统、封闭系统、孤立系统 225
13.2.3 热力学平衡状态 225
13.2.4 状态函数 226
13.2.5 等温过程、等压过程、绝热过程、循环过程 226
13.2.6 热量、功 226
13.2.7 内能 227
13.3 热力学第一定律 227
13.4 功的计算 227
13.5 热的计算 228
13.5.1 等容热 229
13.5.2 等压热 229
13.6 理想气体的热力学能和焓 229
13.7 热力学第二定律 230
13.7.1 自发过程的方向和限度 230
13.7.2 热量和功的转换不等价性 230
13.7.3 自发过程的共同特征 231
13.7.4 卡诺定理 231
13.7.5 熵增加原理 231
13.7.6 Helmholtz函数判据 231
13.7.7 Gibbs函数判据 232
13.8 化学平衡 233
习题 234

第14章　化学动力学基础/236
14.1 化学反应速率 236
14.2 反应速率与浓度的关系 237
14.2.1 基元反应 237
14.2.2 反应分子数 237
14.2.3 反应速率方程 237
14.2.4 质量作用定律 237
14.2.5 反应级数 237
14.2.6 速率系数 238
14.2.7 一级反应 238
14.2.8 二级反应 239
14.2.9 零级反应 240
14.3 反应速率与温度的关系 240
14.3.1 Vant Hoff经验规则 240
14.3.2 Arrhenius公式 240
14.3.3 催化剂对反应速率的影响 241
14.4 典型的复杂反应 241
14.4.1 对峙反应 241
14.4.2 平行反应 241
14.4.3 连续反应 241
习题 242

第15章　电化学基础/244
15.1 电化学的基本概念 244
15.1.1 原电池和电解池 244
15.1.2 正极、负极,阴极、阳极 244
15.1.3 法拉第定律 244
15.1.4 离子的电迁移率和迁移数 245
15.1.5 电导、电导率、摩尔电导率 245
15.2 可逆电池和可逆电极 245
15.2.1 组成可逆电池的必要条件及其研究意义 245
15.2.2 可逆电极的类型 246
15.2.3 可逆电池的书面表示法 247
15.2.4 可逆电池电动势的测定 247
15.2.5 可逆电池电动势的应用 247
15.2.6 能斯特方程 248
15.3 极化作用和极化曲线 249
15.3.1 极化作用 249
15.3.2 极化曲线 249
15.4 化学电源 250
15.4.1 化学电源的发展简史 250
15.4.2 锂离子电池的诞生历程 251
15.4.3 锂离子电池的基本构成及其工作原理 252
习题 254

第16章　表面化学基础/256
16.1 表面分子的特殊性 256
16.2 表面功 257
16.3 表面能 258
16.4 表面张力 258
16.5 弯曲表面下的附加压力 260
16.6 杨-拉普拉斯公式 261
16.7 毛细现象 262
16.8 弯曲液面的蒸气压 264
16.9 溶液的表面吸附 265
16.10 铺展与润湿 266
16.10.1 铺展 266
16.10.2 润湿与Young方程 267
16.11 表面活性剂及其作用 268
16.11.1 表面活性剂的结构特征 268
16.11.2 表面活性剂的分类 269
16.11.3 表面活性剂的吸附对固体表面的影响 279
16.11.4 表面活性剂胶团化作用 280
习题 280

第四篇 有机化学
第17章　绪论/284
17.1 有机化合物和有机化学反应的特性 284
17.2 共价键 285
17.3 共价键的表示方法 285
17.4 有机化合物共价键的性质 286
17.5 酸碱理论 287
17.6 有机化合物的分类 288
17.7 有机化合物的鉴定手段 288
习题 288

第18章　烷烃/289
18.1 烷烃结构及表示式 289
18.2 同系列和同分异构现象 290
18.2.1 同系列和同系物 290
18.2.2 同分异构现象 290
18.3 烷烃的命名 291
18.3.1 普通命名法 291
18.3.2 烷基 291
18.3.3 IUPAC命名法 291
18.4 构象 293
18.5 烷烃的物理性质 294
18.5.1 烷烃的物理性质 294
18.5.2 分子间的作用力 294
18.6 烷烃的化学性质 295
18.6.1 取代反应 295
18.6.2 氧化反应 297
18.6.3 热裂反应 298
18.7 烷烃的工业来源 298
习题 298

第19章　脂环烃/300
19.1 分类和命名 300
19.2 脂环烃的化学性质 301
19.3 拜尔张力学说 302
19.4 影响环状化合物稳定性的因素 303
19.5 环己烷的构象：横键(平伏键)和竖键(直立键) 303
19.6 含取代基环己烷的优势构象 304
19.6.1 一取代环己烷 304
19.6.2 二取代环己烷 305
19.6.3 多取代环己烷 306
习题 306

第20章　烯烃/307
20.1 烯烃的结构 307
20.2 烯烃的命名 308
20.3 烯烃的物理性质 309
20.4 烯烃的化学性质 309
20.4.1 亲电加成反应 309
20.4.2 碳正离子 310
20.4.3 自由基加成反应 313
20.4.4 自由基聚合反应 314
20.4.5 α-卤代反应 314
20.4.6 烯烃的氧化 314
20.5 乙烯的工业来源与用途 315
习题 315

第21章　炔烃和二烯烃/318
21.1 炔烃的结构及命名 318
21.2 炔烃的物理性质 319
21.3 炔烃的反应 319
21.3.1 端炔氢 319
21.3.2 选择性还原成烯烃 320
21.3.3 炔烃的亲电加成反应 321
21.3.4 炔烃的亲核加成 322
21.3.5 炔烃的氧化 323
21.3.6 乙炔的聚合 323
21.4 炔烃的制备 323
21.4.1 乙炔的工业来源 323
21.4.2 炔烃的制法 323
21.5 二烯烃的分类及命名 324
21.6 共轭双烯的稳定性 325
21.7 丁二烯的亲电加成 325
21.8 自由基聚合反应 327
21.9 狄尔斯-阿德尔(Diels-Alder)反应 327
习题 328

第22章　芳烃/329
22.1 凯库勒式 329
22.1.1 苯的分子式C6H6 329
22.1.2 结构特点 330
22.2 稳定性 330
22.3 命名 331
22.4 物理性质 331
22.5 化学性质 332
22.5.1 Birch还原 332
22.5.2 催化氧化 332
22.5.3 亲电取代反应 332
22.5.4 定位效应及反应活性 335
22.5.5 侧基的反应 337
22.5.6 联苯 337
22.6 稠环芳烃 338
22.7 芳香性的判断 339
习题 340

第23章　立体化学/342
23.1 异构体的分类 342
23.1.1 构造异构 342
23.1.2 立体异构 342
23.2 构型和构型标记 343
23.2.1 透视式R,S标记法 343
23.2.2 Fischer投影式R,S判断 344
23.3 含有一个手性碳原子的化合物 344
23.4 含有两个手性碳原子的化合物 345
23.4.1 两个不同手性碳原子的化合物 345
23.4.2 两个相同手性碳原子的化合物 346
23.5 制备手性化合物的方法 346
23.5.1 由天然产物中提取 346
23.5.2 外消旋化合物的拆分 346
23.5.3 手性合成 346
习题 347

第24章　卤代烃/348
24.1 分类和命名 348
24.1.1 分类 348
24.1.2 命名 349
24.2 卤代烃的物理性质 350
24.3 卤代烃的化学性质 350
24.3.1 亲核取代反应 350
24.3.2 消除反应 351
24.3.3 与活泼金属反应 352
24.4 亲核取代反应机理 353
24.4.1 两种主要的机理(SN1和SN2) 353
24.4.2 影响反应机理及其活性的因素 354
24.5 消除反应的机理 355
24.5.1 两种消除机理(E1和E2) 355
24.5.2 影响消除反应机理及其活性的因素 357
24.6 取代放应和消除反应的竞争 357
24.7 卤代烃的制法 357
24.7.1 由烃卤代 357
24.7.2 烯烃和炔烃的加成 358
24.7.3 由醇制备 358
24.7.4 氯甲基化反应 359
24.7.5 卤素交换反应 359
习题 359

第25章　醇酚醚/360
25.1 醇 360
25.1.1 醇的分类和命名 360
25.1.2 醇的物理性质 362
25.1.3 醇的化学性质 363
25.1.4 醇的制法 367
25.1.5 醇的氧化 370
25.2 酚 371
25.2.1 酚的分类、命名和物理性质 371
25.2.2 酚的化学性质 372
25.2.3 苯酚的制备 375
25.3 醚及环氧化合物 376
25.3.1 醚的命名、物理性质 376
25.3.2 醚的制备 376
25.3.3 醚的化学性质 378
25.4 环氧化合物 381
25.4.1 命名 381
25.4.2 开环反应 381
习题 382

第26章　醛和酮/384
26.1 醛、酮的结构与命名 384
26.1.1 结构 384
26.1.2 命名 384
26.2 醛酮的物理性质 385
26.3 醛酮的化学性质 385
26.3.1 羰基上的亲核加成 386
26.3.2 涉及羰基α-H的反应 389
26.3.3 氧化反应 392
26.3.4 还原反应 393
26.4 醛酮的制法 394
26.4.1 炔烃的水合和胞二卤代物的水解 394
26.4.2 由烯烃制备 394
26.4.3 由芳脂烃氧化 395
26.4.4 由醇氧化或脱氢 395
26.4.5 傅瑞德尔-克拉夫茨(Friedel-Crafts)酰基化 395
26.4.6 盖德曼-柯赫(Gattermann-Koch)反应 395
26.4.7 罗森孟德(Rosenmund)还原 395
26.4.8 酰氯与金属有机试剂作用 395
26.4.9 麦尔外因-彭多夫(Meerwein-Ponndorf)还原 396
习题 396

第27章　羧酸及羧酸衍生物/398
27.1 羧酸 398
27.1.1 羧酸的命名、物理性质 398
27.1.2 酸性 399
27.1.3 羧酸的化学反应 400
27.1.4 羧酸的制备方法 403
27.2 羧酸衍生物 404
27.2.1 羧酸衍生物的结构和命名 404
27.2.2 物理性质 405
27.2.3 羧酸衍生物的化学性质 406
27.3 亲核取代反应机理和反应活性 408
27.3.1 亲核取代反应机理 408
27.3.2 反应活性 409
27.4 与金属试剂的反应 409
27.4.1 酰氯 409
27.4.2 酯 410
27.5 还原反应 410
27.5.1 酰氯的还原 410
27.5.2 酯的还原 411
27.5.3 酰胺和腈的还原 412
习题 412

附录/415
附录一 酸、碱的解离常数 415
附录二 常用缓冲溶液的pH范围 416
附录三 难溶电解质的溶度积(18～25℃) 417
附录四 标准电极电势(298.15K) 417
附录五 配离子的稳定常数 422
附录六 元素的原子半径(pm) 423
附录七 元素的第一电离能(kJ·mol-1) 424
附录八 主族元素的电子亲和能(kJ·mol-1) 425
附录九 元素的电负性 426
附录十 鲍林离子半径 427
附录十一 常用的基准物质的干燥条件和应用 427
附录十二 弱酸及其共轭碱在水中的解离常数(25℃,I=0) 428
附录十三 离子的? 值 430
附录十四 离子的活度系数 431
附录十五 常用缓冲溶液 432
附录十六 酸碱指示剂 432
附录十七 混合酸碱指示剂 433
附录十八 络合物的稳定常数(18～25℃) 434
附录十九 氨羧络合剂类络合物的稳定常数(18～25℃,I=0.1mol·L-1) 439
附录二十 EDTA的lgαY(H) 值 440
附录二十一 一些络合剂的lgαM(OH) 值 441
附录二十二 金属离子的lgαM(OH) 值 442
附录二十三 校正酸效应、水解效应及生成酸式或碱式络合物效应后EDTA络合物的条件稳定常数 442
附录二十四 铬黑T和二甲酚橙的lgαln(H) 及有关常数 443
附录二十五 某些氧化还原电对的条件电势(E ) 444
附录二十六 微溶化合物溶度积(18～25℃,I=0) 445

参考文献/449